基于CAD技术的“机织实验”课程教学改革探索

2017-12-12张玉泽管晓宁杨建平

实验室研究与探索 2017年10期

关键词：机织织机虚拟环境

王姜，张玉泽，管晓宁，汪军，杨建平

(东华大学 a.纺织学院，b.信息科学与技术学院，上海 201620)

基于CAD技术的“机织实验”课程教学改革探索

王姜a，张玉泽a，管晓宁a，汪军a，杨建平b

(东华大学 a.纺织学院，b.信息科学与技术学院，上海 201620)

针对机织设备众多、机构复杂、不易于理解且体积重量庞大等不利于本科生实践操作的问题，提出了应用计算机辅助设计(CAD)技术构建虚拟环境的教学改革方案。结合“机织学”课程的重点和难点，以标准织机GA611型有梭织机为例，选用不易实际操作或者无法直接实际观察到的机构构建虚拟环境进行机械原理及重要概念讲解，将课本的叙述性语言以及平面简易图示立体化。虚拟环境的建立不仅全方位便捷地对机械设备进行剖析，辅助学生对机织专业的深入了解，亦可加强其软件操作技能，建立良好的空间思维。而对部分教师和本科生进行的初步调研分析也表明了虚拟环境授课能有效提高学习积极性，进一步开展有很好的可行性。

机织实验；计算机辅助设计技术；虚拟环境

0 引言

国运兴衰,系于教育,坚持以人为本，全面推进素质教育，着力培养学生动手能力、实践能力和创新能力已成为本科教育的主题。大学期间需要学习的内容日益增多，更新速度迅速，只有通过有效的教学方法才能实现高质量的教学效果[1-4]。而实验室的建设无疑可以充分辅助文化课的教学以提高学生相关专业素质[5-6]。自学校开设纺织工程专业起，“机织学”便是纺织工程学科的一门重要的基础课程[7]。由于机织专业有很强的实践性，故为配合“机织学”课程的教学，“机织实验”课程的开设就显得尤为重要。如何通过对“机织实验”课程的开展，更有效地配合“机织学”课程的进度以达到学生对基础理论更深入认识,一直是“机织实验”课程的初衷。因此,为了对各种机织专业相关的机械机构形成更直观的印象，确保学生对机织方向有更大的兴趣,本文提出了应用CAD技术构建虚拟环境的教学改革方案。

1 “机织学”及其相关课程的教学现状

“机织学”是纺织工程学科的一门重要的基础课程，因其工艺流程长，工艺设备数目众多且机构复杂，故“机织学”的相关教学工作相对较为困难[8-10]。针对上述问题，学校开设“机织学”以及“机织实验”两门课程，“机织学”课程集中于《机织学》教材的讲解，而“机织实验”课程针对机织机械结构重点解析。

为保证学生在理解机织机械的一些复杂机构的清晰直观感受，亲自动手实践是最有效的方法。但机织机械体积大、重量重的特点又限制了学生动手操作，故如何更清晰、更快速地让学生掌握机织机械的机构原理，是实验室课程建设和实施过程中应深入思考的问题。

一直以来，我校“机织学”课程的教学主要有准备部分和织造部分，如图1所示[11-12]。

图1 课程分类及重点

准备部分主要包裹络筒、整经、浆纱、穿结经、定捻卷纬以及并捻工序，其中整经过程中的分批整经和分条整经应用广泛，但其概念十分抽象，而现阶段并没有足够的实验设备以供参考，故学生无法对其概念理解透彻。织造部分主要有开口运动、引纬运动、打纬运动以及卷取送经运动。其中引纬运动类型繁多，实验室同样没有足够的设备以供教学使用。

准备部分和织造部分的教学涉及到的设备超过10种，单单重要织机的种类就有5种之多，涉及到的专业概念有数百个之众，仅通过书本上的概念讲解和平面示意图，不足以建立学生良好的机织专业相关体系，甚至会有枯燥乏味之感。纵使“机织实验”课程的开展在一定程度上弥补了“机织学”课程的书本概念讲解的抽象感，但对大型的织造设备，特别的大型的织机，例如有梭织机、剑杆织机以及喷水织机等仍然不能深入地进行剖析和研究。

2 教学改革内容

针对无法在真实的织造机械上进行实践操作的弊端，故寻求以虚拟技术替代。虚拟仿真技术已经在各种领域都发挥着越来越大的作用[13-16]。现阶段，计算机辅助设计(CAD)技术已经非常成熟，而可供选择的CAD建模软件众多，其整体建模过程并无很大的技术难点，但由于织机机构及辅助零部件众多，故建模过程比较繁琐，耗时费力。现阶段，基于CAD技术的本科教学改革初步推广阶段可以挑选比较主要的织机织造过程的相关主体框架零部件进行建模尝试，而暂且延后一些相关的辅助零部件建模，先给予学生织机主体运动过程认识，以普及基础机构为主，其后再逐步补充细小零部件的相关配合建模。

在CAD软件的选择方面，比较了多种不同的建模软件，最终选择了达索公司SolidWorks为主要课程设计软件。SolidWorks有很好的用户基础，其技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，此外，其友好的交互界面使得其不仅在工业工程方面有这大范围的应用，在本科生的教学方面经常选用其作为CAD技术普及之用，故构建“机织实验”课程虚拟环境的建模软件选用SolidWorks，图2所示为SolidWorks软件的主界面。

图2 SolidWorks软件主界面图示

机织专业涉及的机械设备众多，CAD模型建立的设计原则采用“由主到次，由简到繁”。所谓“由主到次”是指最先建立的机械模型根据课程的重点与否进行选择，例如机织专业最主要的是对五大运动的理解，故对5个运动的各个机构的模型建立应该最先设计。所谓的“由简到繁”指的是一种织机的设计先把握其大体的框架结构，而由于一些次要的零部件过于繁多且相对重要性略低，在不影响正常的机械框架介绍的前提下可以在初期阶段省略，以后逐渐补全。

初步将首次建模的机械定为织造部分的GA611型有梭织机，GA611型有梭织机作为中国纺织机械有限公司定型的织机，在中国纺织现代化进程上，占有重要的地位。现阶段，GA611型织机虽基本退出了历史舞台，但因其可以较清晰地观察到各机构的运动机理，机构间的配合过程，以及织造的整个过程，其一直作为“机织学”教材的基础内容。机织实验课程的教学也对此类织机有所涉及，在理解了GA611型有梭织机所有机构运动的基础上，再进行新型织机的教学可以达到事半功倍的效果。例如剑杆织机的结构与GA611型织机的主要区别在于引纬机构，对GA611型织机进行部分改造即可实现剑杆织机的虚拟环境教学。此外，准备部分的络筒、整经以及浆纱等过程中所包含的机械相对于织造部分简单许多，也更易于理解，故准备部分的相关机械设备建模设计放到最后进行。

织机模型建立完毕后，学生便可在平台进行模拟试验，结合机织实验课程上对真实织机的介绍，自己动手在虚拟环境中拆装机械，观察机械的机构配合，同时可以引导学生对一些辅助零件自行设计，这不仅可以做到对机织专业有更深入的理解，也能锻炼学生运用CAD软件的能力，培养其3D立体思维，有助于建立很好的空间想象力，对其以后相关的课程学习大有助益。

3 虚拟环境阶段性试用及评价

3.1虚拟环境的初步构建

选取引纬运动的主体部分作为虚拟环境教学的示例。梭子是最早用来进行织造的传统引纬介质，其在现阶段企业中的应用已经逐步减少，然而在一些特种织物的织造中，例如管状织物的制造中是不可取代的引纬介质。图3所示为有梭织机引纬机构中的梭箱与梭子的配合关系示意图。

图3 有梭织机中的梭子和梭箱1-梭箱盖板,2-梭箱前板,3-梭箱底板,4-梭箱背板,5-制梭铁,6-梭子

梭箱盖板、梭箱底板、梭箱前板和梭箱背板共同组成梭箱，用于梭子的临时储存，制梭铁安装于梭箱背板处，用于控制梭子的进入速度。通过在此虚拟的环境中，可以对梭箱和梭子进行全方位的剖析拆解及重新组装配合，不仅可以确定各装置之间的位置尺寸，还可以更好地了解有梭织机的引纬运动过程，同时在建立梭箱和梭子模型的过程中，加深学生对梭箱和梭子结构的认识，促使其产生对有梭织机中的其他零部件了解的积极性。此外，在模型的建立和配合的过程中，能够很好地培养学生的空间想象能力，这对以后的工程学习和研究受益良多。

选取在织机上无法直接观察到的四连杆打纬机构(见图4)作为另一个虚拟环境教学示例。

图4 有梭织机中的打纬机构1-皮带盘,2-曲轴,3-牵手,4-摇轴,5-筘帽,6-钢筘,7-筘座,8-筘座脚,9-曲轴牵手连接处

在图4中，曲轴与摇轴连接在机架上，其可以转动但不能水平移动，钢筘安装在筘座上，钢筘顶端有筘帽，筘座和筘帽都固定在筘座脚上。曲轴、牵手、筘座脚以及曲轴和摇轴的连线构成了四连杆机构，曲轴转动的过程会推动筘座前后运动，完成打纬过程。而有梭织机的曲轴转动过程分为四个主要时间点，其实进行织造工艺参数的调节的重要依据，主要通过曲轴牵手连接处上曲轴的朝向进行判断，如图5所示。

图5 曲轴的运动过程

曲轴的特定朝向位置决定了此时织机的动作，曲轴的位置形态按箭头方向依次分别命名为上心、前心、下心和后心。通过在虚拟环境中转动织机的主转轴可清晰地观察到曲轴的不同位置变化，并且可直观地感受到织机任意时刻的动作，对于学生了解织造过程，理解织机工艺参数的调节有很好的促进作用。

与机织专业相关的机械设备中，类似的装置以及相关装置的配合关系众多，平面图示以及文字的描述很难有效地传达机械的整体形态和实际工作过程，而借助于虚拟环境中的3D动画模拟过程可以很好地弥补了这一缺陷，对辅助“机织实验”课程的教学有良好的促进作用。

3.2虚拟环境授课的评价

在“机织实验”课程未最终决定采用此教学改革方法之前，先通过对学生初步抽样调查来获取此改革方法的可行性分析，可行性分析的依据主要是依据学生对虚拟环境的感兴趣程度进行主观判断。

初步对随机选择的学生进行SolidWorks的基本操作培训后，发现在较短的时间内便可以掌握部分简单的操作，对此软件都表现出一定的兴趣，并对此形式的教学方式表示认同，部分学生已经开始SolidWorks的自学，以期望更快地掌握机织专业的相关机械设备。

经虚拟环境授课的初步试用，对纺织工程专业的老师及本科生进行虚拟环境授课可行性采样分析，样本总量确定15人。经初步对虚拟环境的讲解，令其与传统授课情况对比后，进行主观评判，汇总情况为:3名教师认为虚拟环境授课较传统授课方式优势很大,2名教师认为有一定优势;6名学生认为优势很大,2名学生认为有一定优势,只有2名学生认为无明显优势。可见此虚拟环境授课较传统授课方式有较大的优势，而构建虚拟环境授课具有一定的实际意义。

4 结语

本文主要通过应用CAD 技术来构建虚拟环境以改善传统的机织实验课程中无法进行机织设备实践操作的弊端。在CAD技术的选取中，采用了较为常用的SolidWorks软件作为主要建模软件，此软件界面友好，易于上手，并以GA611型有梭织机为例，初步进行了主要机构的模型建立。在此期间充分采纳了多个有丰富机织专业教学经验的老师和部分本科生的建议，使得对进一步的推广教学有了一定的基础。同时，也对此教学方法的可行性进行了主观分析和采样调研，确保了此次引入CAD技术作为教学的一个重要部分能在一定程度上培养学生对机织专业的兴趣，加强学生对机织设备的深入了解。

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ExplorationofTeachingReformforWeavingExperimentCourseBasedonCADTechnology

WANGJianga，ZHANGYuzea,GUANXiaoninga,WANGJuna,YANGJianpingb

(a.College of Textile, b.College of Information Science amp; Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

“Woven experiment” is one of important practical teaching aspects of textile engineering in Donghua University，it has been an essential experimental course for undergraduates.On the basis of clarifying the orientation of “weaving experiment”, it puts forward the teaching reform of constructing virtual environment by using CAD technology, because of the difficulty to practice on weaving equipment for various kinds, complicated structure, abstract to understand and bulky weight.Combined with the difficult knowledge points in “weaving” course and based on the standard GA611 shuttle loom, it chooses the mechanism which is not easy to practice and difficult to observe to establish the virtual environment.The narrative language can be told through the three-dimensional effect.The establishment of the virtual environment not only can analyze the mechanical equipment to give students an in-depth understanding of the course conveniently, but can strengthen students’s oft ware operation skills and establish a good space thinking.By an initial survey some teachers and under graduate spraise the feasibility of the virtual environment teaching.

weaving experiment; CAD technology; virtual environment